科学史-物理学编年史-43惠更斯-菲涅耳原理

时间：公元1815年。

惠更斯－菲涅耳原理（Huygens–Fresnelprinciple）是研究波传播问题的一种分析方法，因荷兰物理学者克里斯蒂安·惠更斯和法国物理学者奥古斯丁·菲涅耳而命名。这个原理同时适用于远场极限和近场衍射。

1678年，惠更斯完成著作《光论》（《TraitėdelaLumiere》）。1690年这本书公开发行。在这本书中他提出“惠更斯原理”：

波前的每一点可以认为是产生球面次波的点波源，而以后任何时刻的波前则可看作是这些次波的包络。

借着这原理，他可以给出波的直线传播与球面传播的定性解释，并且推导出反射定律与折射定律；但是他并不能解释，为什么当光波遇到边缘、孔径或狭缝时，会偏离了直线传播，即衍射效应。惠更斯假定次波只会朝前面方向传播，而不会朝后面方向传播。他并没有解释为什么会发生这种物理行为。惠更斯原理是一种光波动说。这假说是根据1664年罗伯特·胡克的提议。胡克本人公开批评牛顿的光微粒说。两位大师争吵不休，直至胡克往生。在那时期，由于艾萨克·牛顿在其它物理领域的成功，他被公认是光本质争论的赢家。

菲涅耳在惠更斯原理的基础上假设这些次波会彼此发生干涉，因此惠更斯－菲涅耳原理是惠更斯原理与干涉原理的结晶。用这种观点来描述波的传播，可以解释波的衍射现象。特别地，惠更斯－菲涅耳原理是建立衍射理论的基础，并指出了衍射的实质是所有次波彼此相互干涉的结果。为了符合实验结果，他又添加了一些关于次波的相位与波幅的假定。这些假定引导出的预测与许多实验观察相符合，包括泊松光斑，也对于为什么波只会朝前面方向传播，而不会朝后面方向传播这问题给出一个定量的解释。

惠更斯－菲涅耳原理能够正确地解释与计算波的传播。基尔霍夫衍射公式给衍射提供了一个严格的数学基础，这基础是建立于波动方程和格林第二恒等式。从基尔霍夫衍射公式，可以推导出惠更斯－菲涅耳原理。菲涅耳在惠更斯－菲涅耳原理里凭空提出的假定，在这推导过程中，会自然地表现出来。

1818年，菲涅耳将他的论文提交给法兰西学术院的评委会。评委会的会员西莫恩·泊松阅读完毕后认为，假若菲涅耳的理论成立，则将光波照射于一小块圆形挡板，其形成的阴影的中央必会有一个亮斑，因此，他推断这理论不正确。但是，评委会的另一位会员，弗朗索瓦·阿拉戈亲自动手做这实验，获得的结果与预测相符合，证实菲涅耳原理正确无误。真正最先观察到这现象的是法国-意大利天文学者吉雅科莫·马劳地（GiacomoMaraldi），但他于1723年获得的研究结果在那时代并没有得到重视。这实验是支持光波动说的强有力的证据。这实验与托马斯·杨的双缝实验共同反驳了艾萨克·牛顿主导的光微粒说。

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